JP2018052391A - フレーム部材 - Google Patents

Abstract

【課題】ＣＦＲＰ製部材とこれに結合された金属製の取付部材で構成されたフレーム部材において、他の部材と強固に連結可能であると共に、ＣＦＲＰ製部材と取付部材の結合強度を向上させて軽量でありながら曲げ荷重に対する強度が高いフレーム部材を提供する。【解決手段】ＣＦＲＰ製の管状部材と、この管状部材の少なくとも一端部に金属製の取付部材が結合したフレーム部材であって、締結部材により前記取付部材と他の部材を締結することにより前記管状部材と他の部材とを連結可能なフレーム部材において、前記取付部材は、前記管状部材が挿通された開口部と、この開口部の縁部に沿うように延びて前記開口部内方に突出した凸部を有し、前記管状部材は、前記凸部に係合する溝部を有し、前記凸部を前記溝部に係合させることにより前記取付部材と前記管状部材を結合し、前記溝部を形成する壁部における底部の壁厚よりも底部と反対側の溝開口部の壁厚を大きく形成した。【選択図】図１

Description

本発明は、ＣＦＲＰ製の管状部材と、これと結合した金属製の取付部材で構成されたフレーム部材に関し、特に曲げ荷重に対する強度を向上可能なフレーム部材に関する。

従来から、同じ重量の鋼製の部材と比較して強度や剛性が高いＣＦＲＰ製部材が航空機やスポーツカー等に利用されている。ＣＦＲＰ製部材を使用することにより軽量化が可能であるため、一般車においてもＣＦＲＰ製部材の使用が検討されている。

鋼製の部材を全てＣＦＲＰ製部材に置き換えることは生産性やコストの面で困難であるため、置き換え可能な部分から置き換えていくことになるが、ＣＦＲＰ製部材と他の部材との連結には課題がある。例えば、他の部材が金属製であると、ＣＦＲＰ製部材と他の部材の連結部に雨水等が侵入した場合に、炭素繊維と金属の間で導通して電食が発生する。

電食対策として例えば特許文献１のように、ＣＦＲＰパイプとアルミニウムパイプとの連結部分に絶縁体を介在させることにより絶縁するものがある。しかし、ＣＦＲＰパイプにアルミニウムパイプを挿入して連結し、連結部分に設けた挿通穴にリベットを挿通させて固定するので、その挿通穴に侵入した雨水等を介してＣＦＲＰパイプとアルミニウムパイプ導通し、電食が発生する。

また、ＣＦＲＰ製部材を締結部材で他の部材と締結するために締結部材に挿通穴を設けると、挿通穴により炭素繊維が分断されてしまうので、ＣＦＲＰ製部材に期待される強度や剛性が発揮されない虞がある。そのため、ＣＦＲＰ製部材に挿通穴を設けずに他の部材と連結可能な取付部材を介してＣＦＲＰ製部材と他の部材とを連結する必要がある。

例えば特許文献２のように、ＦＲＰ製の管状部材の端部に管状部材の内側及び外側から管状部材を挟んで金属製の取付部材であるボールスタッドを取り付け、そのボールスタッドを受けるソケットが他の部材に設けられた所謂ボールジョイントにより連結されるものがある。管状部材に挿通穴を設けないので強化繊維が切断されず、管状部材の強度や剛性を損なうことがない。また、管状部材がＣＦＲＰ製であっても、挿通穴を介した電食が生じない。

特開平１１−１２３７６５号公報 特開２０１１−３７３１３号公報

しかし、特許文献２の取付部材による他の部材との連結では、強固な固定が困難である。例えば取付部材を介して管状部材を曲げる方向に荷重が作用したときに、管状部材と取付部材の間で滑りが生じて荷重が管状部材に十分伝わらない虞がある。また、ボールジョイントではボールとソケットの間で滑るので連結部が変形し易く、他の部材と強固に連結できない虞がある。

本発明の目的は、ＣＦＲＰ製部材とこれに結合された金属製の取付部材で構成されたフレーム部材において、他の部材と強固に連結可能であると共に、ＣＦＲＰ製部材と取付部材の結合強度を向上させて軽量でありながら曲げ荷重に対する強度が高いフレーム部材を提供することである。

請求項１の発明のフレーム部材は、ＣＦＲＰ製の管状部材と、この管状部材の少なくとも一端部に金属製の取付部材が結合したフレーム部材であって、締結部材により前記取付部材と他の部材を締結することにより前記管状部材と他の部材とを連結可能なフレーム部材において、前記取付部材は、前記管状部材が挿通された開口部と、この開口部の縁部に沿うように延びて前記開口部内方に突出した凸部を有し、前記管状部材は、前記凸部に係合する溝部を有し、前記凸部を前記溝部に係合させることにより前記取付部材が前記管状部材に結合され、前記溝部を形成する壁部における底部の壁厚よりも底部と反対側の溝開口部の壁厚が大きく形成されていることを特徴としている。

上記構成によれば、取付金具の凸部と係合する管状部材の溝部を形成する壁部において、溝部の底部の壁厚に対して溝開口部の壁厚が大きく形成されているので溝開口部の強度が強化され、取付部材を介して管状部材に入力される荷重に対して取付金具と管状部材の結合強度が強化される。そのため、取付部材を介して入力される曲げ荷重に対して強度を高めることができる。

請求項２の発明のフレーム部材は、請求項１において、前記凸部は、この凸部が延びる方向と直交する断面が曲線状であることを特徴としている。

上記構成によれば、凸部が係合する溝部と曲面で当接するので溝部の応力集中が緩和され、取付部材を介して管状部材に入力される荷重に対して取付金具と管状部材の結合強度が強化される。そのため、取付部材を介して入力される曲げ荷重に対して強度を高めることができる。

請求項３の発明のフレーム部材は、請求項１または２において、前記凸部は、第１凸部と、前記開口部に対して前記第１凸部と反対側に形成された第２凸部を有し、前記取付部材は、前記第２凸部が突出する方向に前記締結部材を挿通して他の部材と連結するための複数の締結穴を備えたことを特徴としている。

上記構成によれば、取付部材を介して入力される締結部材を挿通する方向の曲げ荷重に対して、取付金具と管状部材の結合強度が強化されているので、曲げ荷重を管状部材に確実に伝えてフレーム部材の機能を発揮させることができ、取付部材を介して入力される曲げ荷重に対して強度を高めることができる。

請求項４の発明のフレーム部材は、請求項１〜３のいずれか１項において、前記溝部の前記底部から壁厚が大きく形成された前記溝開口部にわたる領域において、前記フレーム部材は、前記取付部材が前記管状部材に絶縁部材を介して結合されていることを特徴としている。

上記構成によれば、取付部材と管状部材の結合部において、ＣＦＲＰ表面の炭素繊維の露出を絶縁部材により防いで炭素繊維と取付部材とが導通することがないので、電食による取付部材の破損を防ぐことができる。

請求項５の発明のフレーム部材は、請求項１〜４のいずれか１項において、前記フレーム部材は車体のルーフレールとサイドシルに連結されてピラーを構成していることを特徴としている。

上記構成によれば、走行時に発生する車体を捩じり変形させる荷重により、ピラーを構成するフレーム部材に取付部材を介して車幅方向内側向きに管状部材を曲げるように荷重が入力されたときに、曲げ荷重に対する強度が高いフレーム部材を機能させて車体の捩じり変形を抑制可能である。

本発明のフレーム部材によれば、ＣＦＲＰ製部材とこれに結合された金属製の取付部材で構成されたフレーム部材において、他の部材と強固に連結可能であると共に、ＣＦＲＰ製部材と取付部材の結合強度を向上させて曲げ荷重に対する強度が高いフレーム部材を提供することができる。

本発明のフレーム部材の斜視図である。 第１取付部材を前方左側から見た斜視図である。 第１取付部材を左上から見た斜視図である。 第２取付部材前方左上から見た斜視図である。 第２取付部材を後方右上から見た斜視図である。 管状部材の正面図である。 管状部材の上端部を後方右上から見た斜視図である。 管状部材を前方左上から見た斜視図である。 図７のIX−IX線断面図である。 管状部材の下端部右側面図である。 管状部材の下端部を前方左上から見た斜視図である。 管状部材上端部に第１取付部材が結合したフレーム部材の上端部分の斜視図である。 フレーム部材を車体のセンタピラーに適用した車体右側の斜視図である。 フレーム部材とルーフレールの連結部の右側面図である。 図１４のXV−XV線断面図である。 フレーム部材とサイドシルの連結部の左側面図である。 図１６のXVII−XVII線断面図である。

以下、本発明を実施するための形態について実施例に基づいて説明する。尚、図中の矢印Ｆは前方を示し、矢印Ｌは左方を示し、矢印Ｕは上方を示す。

図１に示すように、フレーム部材１は、ＣＦＲＰ製の管状部材１０と、この管状部材１０の一端部に金属製（例えばアルミ合金製）の第１取付部材２０が結合し、他端部に金属製の第２取付部材３０が結合して形成されている。図示を省略するが第１，第２取付部材２０，３０を他の部材とボルト等の締結部材により締結することで、管状部材１０と他の部材とを強固に連結可能である。

次に、取付部材である第１，第２取付部材２０，３０について説明する。
第１取付部材２０は、図２，図３に示すように管状部材１０を挿通するための開口部２１を備えている。開口部２１は上方から見て略矩形状に形成され、開口部２１の縁部に沿って延びて開口部２１内方に例えば４〜８ｍｍ程度突出する凸部を備えている。凸部は開口部２１の１辺に設けられた第１凸部２２ａと、開口部２１の第１凸部２２ａの反対側に設けられた第２凸部２２ｂと、開口部２１の他の２辺に設けられた第３，第４凸部２２ｃ，２２ｄを有する。第２凸部２２ｂは、その両端が第３，第４凸部２２ｃ，２２ｄに連なっている。

図１５，図１７に示すように、第１凸部２２ａが延びる方向に直交する第１凸部２２ａの断面（横断面）の形状は角部が無い曲線状に形成されている。同様に、第２〜第４凸部２２ｂ〜２２ｄの横断面の形状も曲線状に形成されている。

図２，図３に示すように、第１凸部２２ａは第２凸部２２ｂに対して下方に（図１の管状部材１０の長手方向中央側に）オフセットした位置に設けられている。また、第４凸部２２ｄは第３凸部２２ｃに対して下方にオフセットした位置に設けられている。第１凸部２２ａが下方にオフセットしているので、管状部材１０との接触面を大きく設けることができ、第１取付部材２０に入力される曲げ荷重を管状部材１０へ伝え易くなるように構成することができる。

第１取付部材２０には、他の部材と連結するためにボルト等の締結部材を挿通可能な複数の締結穴２３ａ，２３ｂが設けられている。締結穴２３ａ，２３ｂは第２凸部２２ｂが設けられた側の第１取付部材２０の壁部に設けられ、第３，第４凸部２２ｃ，２２ｄが開口部２１の縁部に沿って延びる方向と略平行に締結部材を挿通する。上記構成の第１取付部材２０を形成するための金型は、締結穴２３ａ，２３ｂの挿通方向に沿って第１取付部材２０からの取り外しが容易になるように構成可能である。

図４，図５に示すように、第２取付部材３０は第１取付部材２０と同様に、略矩形状の開口部３１とその縁部に沿って開口部３１内方に突出する第５〜第８凸部３２ａ〜３２ｄを有し、第５凸部３２ａが第６凸部３２ｂに対して上方にオフセットした位置に設けられている

第２取付部材３０には、他の部材と連結するためにボルト等の締結部材を挿通可能な複数の締結穴３３ａ〜３３ｃが設けられている。締結穴３３ａ〜３３ｃは第５凸部３２ａが設けられた側の第２取付部材３０の壁部に設けられ、第８凸部３２ｄが開口部２１の縁部に沿って延びる方向と略平行に締結部材を挿通する。上記構成の第２取付部材３０を形成するための金型は、締結穴３３ａ〜３３ｃの挿通方向に沿って第２取付部材３０からの取り外しが容易になるように構成可能である。

次に、管状部材１０について説明する。
図６に示すように、管状部材１０は正面視で湾曲状に形成されているが、用途に応じて適宜形状等を変えて形成することができる。この管状部材１０は、熱硬化性樹脂の母材と、この母材内に配設された炭素繊維からなるＣＦＲＰにより、長手方向と直交する断面が略矩形の管状に形成され、その壁厚は２ｍｍ程である。

炭素繊維は主として管状部材１０の長手方向全長にわたって延びるように母材内に配設されているが、この長手方向に延びる炭素繊維に対して所定の角度（例えば＋／−３０°）で交差するように延びる炭素繊維も母材内に含まれている。そのため、管状部材１０は長手方向の剛性が高く、長手方向に沿う方向に割れにくくなっている。

図７，図８に示すように管状部材１０の一端部である上端部（先端部）には、第１取付部材２０と結合するために、第１取付部材２０の凸部と係合する溝部が形成されている。溝部は第１取付部材２０の第１〜第４凸部２２ａ〜２２ｄに対応する第１〜第４溝部１２ａ〜１２ｄを有する。第１溝部１２ａは、湾曲状の管状部材１０の湾曲外側に位置する。

図９に示すように、第１溝部１２ａは、第１溝部１２ａの底部の壁厚ｔａ１よりも第１溝部１２ａの開口部の壁厚ｔａ２，ｔａ３が１０〜２０％程大きく形成されている。図示を省略するが、第２〜第４溝部１２ｂ〜１２ｄも同様に形成されている。第１溝部１２ａと第２〜第４溝部１２ｂ〜１２ｄは連なっていないが、管状部材１０の上端側から見て管状部材１０の周壁を１周するように設けられている。

図１０，図１１に示すように、管状部材１０の下端部（基端部）には、第２取付部材３０の第５〜第８凸部３２ａ〜３２ｄに係合する第５〜第８溝部１３ａ〜１３ｄが設けられている。図示を省略するが、第５〜第８溝部１３ａ〜１３ｄも第１〜第４溝部１２ａ〜１２ｄと同様に、溝部の底部の壁厚よりも溝部の開口部の壁厚が１０〜２０％程大きく形成されている。

第５溝部１３ａは、湾曲状に形成された管状部材１０の湾曲外側に位置する。第５溝部１３ａと第６〜第８溝部１３ｂ〜１３ｄは連なっていないが、管状部材１０の下端側から見て管状部材１０の周壁を１周するように設けられている。

ここで、フレーム部材１の形成方法について簡単に説明する。フレーム部材１の管状部材１０は内圧成形法にて成形される。内圧成形法は、金型キャビティ内に管状素材を配置し、管状素材の内側に配置された圧力バッグを空気圧等により膨張させて金型キャビティ内壁に密着させた状態で管状素材を熱硬化させるものである。

まず、炭素繊維が所定方向に配設された熱硬化性樹脂シートを積層して先端部が閉じて基端部が開いた管状素材を形成する。管状素材の第１，第２取付部材２０，３０と接触する部分には、絶縁性の強化繊維が配設された熱硬化性樹脂シート（絶縁部材）を最上層に貼っておく。

この管状素材を第１取付部材２０の開口部２１と第２取付部材３０の開口部３１に挿通させた状態で第１，第２取付部材２０，３０と共に金型キャビティ内に配置する。そして、管状素材の内側に配置された圧力バッグを膨張させ、管状素材を金型キャビティ内壁及び第１，第２取付部材２０，３０に密着させる圧力を調節して熱硬化させる。管状素材が熱硬化したものが管状部材１０である。熱硬化させた後、圧力バッグを基端部から除去する。

こうして形成されたフレーム部材１は、図１２に示すように、管状部材１０の先端部に閉鎖部１４を有し、第１〜第４溝部１２ａ〜１２ｄと第１取付部材２０の第１〜第４凸部２２ａ〜２２ｄが絶縁部材を介して係合して、管状部材１０と第１取付部材２０が結合している。また、図示を省略するが、フレーム部材１の基端部は先端部と同様に、管状部材１０と第２取付部材３０が結合している。

上記のフレーム部材１を、例えば車体Ｖのセンタピラーに適用する。車体Ｖは車幅方向に対称なので、車体Ｖの右側について説明し、左側の説明を省略する。図１３に示すように、フレーム部材１の第１取付部材２０を車体Ｖのルーフレール５０と連結し、第２取付部材３０をサイドシル５１と連結することにより車体Ｖのセンタピラーを形成する。

第１取付部材２０とルーフレール５０の連結は、図１４，図１５に示すように、車幅方向内側から外側に向かう方向にボルト４０等を挿通してルーフレール５０に連結されたルーフレイン５２の固定部材５３を介して連結する。ルーフレール５０に直接連結するように構成することも可能である。

第２取付部材３０も同様に、図１６，図１７に示すように、車幅方向内側から外側に向かう方向にボルト４１等を挿通してサイドシル５１に連結する。フレーム部材１の管状部材１０は、車幅方向外方に膨出するように湾曲し、図１５，図１７に示すように、管状部材１０の上端部及び下端部が正面視にて車幅方向外側に傾斜した状態でルーフレール５０とサイドシル５１に夫々連結されている。

次に、本発明のフレーム部材１の作用、効果について説明する。
第１，第２取付部材２０，３０の凸部と係合する管状部材１０の溝部を形成する壁部において、図９に示すように、溝部の底部の壁厚ｔａ１に対して溝開口部の壁厚ｔａ２，ｔａ３が大きく形成されるので、溝開口部の強度が強化される。そのため、第１，第２取付部材２０，３０を介して管状部材１０に入力される荷重に対して第１，第２取付部材２０，３０と管状部材１０の結合強度が強化される。従って、第１，第２取付部材２０，３０を介して入力される曲げ荷重に対して強度を高めることができる。

また、凸部が延びる方向と直交する横断面が曲線状なので、凸部が係合する溝部と曲面で当接する。そのため、溝部の応力集中が緩和されるので、第１，第２取付部材２０，３０を介して管状部材１０に入力される荷重に対して第１，第２取付部材２０，３０と管状部材１０の結合強度が強化される。従って、第１，第２取付部材２０，３０を介して入力される曲げ荷重に対して強度を高めることができる。

第１，第２取付部材２０，３０は、第２，第６凸部２２ｂ，３２ｂが突出する方向にボルト等を挿通可能な複数の締結穴２３ａ，３３ａ等を夫々備えている。第１，第２取付部材２０，３０を介して入力されるボルト等を挿通する方向の曲げ荷重に対して、第１，第２取付部材２０，３０と管状部材１０の結合強度が強化されたので、曲げ荷重を管状部材１０に確実に伝えてフレーム部材１の機能を発揮させることができる。

フレーム部材１は、溝部の底部から壁厚が大きく形成された溝開口部にわたる領域において、第１，第２取付部材２０，３０が管状部材１０の表面に設けられた絶縁部材を介して結合される。それ故、この結合部において絶縁部材により炭素繊維と金属製の第１，第２取付部材２０，３０の接触を防ぐことができる。従って、炭素繊維と第１，第２取付部材２０，３０を電気的に絶縁して、電食による第１，第２取付部材２０，３０の破損を防ぐことができる。

このフレーム部材１でセンタピラーを構成した車体Ｖにおいて、通常の走行時に路面の凹凸等に起因して車体Ｖを捩じり変形させる荷重が発生すると、図１５においてセンタピラーを車幅方向内側に倒すような荷重、即ち管状部材１０を曲げる方向に第１取付部材２０を介して曲げ荷重が入力される。

センタピラーを構成するフレーム部材１の管状部材１０と第１，第２取付部材２０，３０は結合が強化されているので、入力された荷重が管状部材１０に確実に伝達される。管状部材１０はその長手方向に高い剛性を有し、曲げ荷重に対する強度が高い。従って、入力された荷重に対して変形を抑えるように機能する。

その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、前記実施形態に種々の変更を付加した形態で実施可能であり、本発明はそのような変更形態を包含するものである。

１ フレーム部材
１０ 管状部材
１２ａ〜１２ｄ 第１〜第４溝部
１３ａ〜１３ｄ 第５〜第８溝部
１４ 閉鎖部
２０ 第１取付部材
２１ 開口部
２２ａ〜２２ｄ 第１〜第４凸部
２３ａ，２３ｂ 締結穴
３０ 第２取付部材
３１ 開口部
３２ａ〜３２ｄ 第５〜第８凸部
３３ａ〜３３ｃ 締結穴
４０，４１ ボルト（締結部材）
５０ ルーフレール
５１ サイドシル
５２ ルーフレイン
５３ 固定部材
Ｖ 車体

Claims (5)

1. ＣＦＲＰ製の管状部材と、この管状部材の少なくとも一端部に金属製の取付部材が結合したフレーム部材であって、締結部材により前記取付部材と他の部材を締結することにより前記管状部材と他の部材とを連結可能なフレーム部材において、
   前記取付部材は、前記管状部材が挿通された開口部と、この開口部の縁部に沿うように延びて前記開口部内方に突出した凸部を有し、
   前記管状部材は、前記凸部に係合する溝部を有し、
   前記凸部を前記溝部に係合させることにより前記取付部材が前記管状部材に結合され、前記溝部を形成する壁部における底部の壁厚よりも底部と反対側の溝開口部の壁厚が大きく形成されていることを特徴とするフレーム部材。
2. 前記凸部は、この凸部が延びる方向と直交する断面が曲線状であることを特徴とする請求項１に記載のフレーム部材。
3. 前記凸部は、第１凸部と、前記開口部に対して前記第１凸部と反対側に形成された第２凸部を有し、
   前記取付部材は、前記第２凸部が突出する方向に前記締結部材を挿通して他の部材と連結するための複数の締結穴を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載のフレーム部材。
4. 前記溝部の前記底部から壁厚が大きく形成された前記溝開口部にわたる領域において、前記フレーム部材は、前記取付部材が前記管状部材に絶縁部材を介して結合されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のフレーム部材。
5. 前記フレーム部材は車体のルーフレールとサイドシルに連結されてピラーを構成していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のフレーム部材。